縱觀區(qū)塊鏈項目的進化史，改良和創(chuàng)新已經(jīng)成為必然。

前有以太坊提出智能合約帶來區(qū)塊鏈2.0與“世界計算機”，后有Polkadot以中繼鏈共享安全建立異構(gòu)分片架構(gòu)。

區(qū)塊鏈從業(yè)者正以分層、算法改進等創(chuàng)新不斷組合出了一個個面向業(yè)務的解決方案。為去中心化世界帶來去中心化商業(yè)的基礎設施，帶來傳統(tǒng)業(yè)務在去中心化世界標準化復制的機會。

不過無論項目設計如何變化，項目實現(xiàn)的目標是一致的，都是要在保證去中心化的信仰之下塑造出應用生態(tài)的輝煌。

如今，在大部分區(qū)塊鏈項目選擇使用PoS共識后，仍舊有一些項目在改進PoW以利用PoW共識的去中心化特征打造生態(tài)繁榮。

本文中，我們就將以公鏈Starcoin為例，解析其白皮書中的設計思路，展現(xiàn)一個成熟的以PoW共識為基礎的成熟方案，為行業(yè)提供一個組合創(chuàng)新的范例。

哪些設計理念已成為常規(guī)設計？

以太坊是公鏈的典型代表，其提出了世界計算機的概念實現(xiàn)，想要將互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務都運行于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡之上。目前所有的公鏈，無論是為金融服務，還是拓展到為數(shù)據(jù)、用戶服務，也都在向這個目標努力。

但一條鏈的網(wǎng)絡并不足以實現(xiàn)這些需求，例如比特幣雖在金融系統(tǒng)上可以稱之為創(chuàng)新，但比特幣網(wǎng)絡是一個不能運行智能合約的非圖靈完備加密貨幣網(wǎng)絡，只有利用加密方式控制的賬戶地址、資產(chǎn)的功能。

隨后以太坊應聲而起，以智能合約定義了區(qū)塊鏈的優(yōu)勢和特點。同樣的，以太坊1.0鏈也遇到了PoW網(wǎng)絡的性能問題。所以以太坊正轉(zhuǎn)向PoS、塑造分片、并且開辟layer2。

從這個路徑上看，以太坊已經(jīng)在塑造分層結(jié)構(gòu)，在以太坊2.0的計劃中，信標鏈通過PoS共識運行完成總賬本的驗證，而狀態(tài)執(zhí)行都將在信標鏈下的分片中進行，更多獨特的擴展功能也可能將設計在layer2層中。

這似乎已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)技術上的共識，波卡、Cosmos等公鏈都不約而同的向相似結(jié)構(gòu)發(fā)展。表現(xiàn)了對“部分信息上鏈驗證”、“分層處理”方案的默許。

Starcoin的分層框架和每層功能定義

為什么呢？因為分層后，可以針對每層出現(xiàn)的問題各個擊破。正如Starcoin，通過區(qū)塊鏈分層技術，可以在區(qū)塊鏈layer1可以達到去中心化和安全，通過layer2又可以達到足夠的可擴展性，供商業(yè)使用。為此，Starcoin對每層都進行了明確的定義和單獨滿足需求的技術改良。

Layer1的共識改進和邏輯突破

當我們拆分區(qū)塊鏈項目的時候可以發(fā)現(xiàn)，layer0是資源層，是由計算設備組成的點對點通信網(wǎng)絡層，Layer0可以看到路由、節(jié)點（礦機或服務器），在這層資源之上，公鏈建立了核心的layer1：共識層。

Layer1表現(xiàn)著區(qū)塊鏈的特點，保護著一些設計者的信仰。正如比特幣的PoW共識對很多信仰者來說，是重要的，因為工作量證明在原則上顯示了公平，而PoS共識，與既有權(quán)益過于相關。

也因PoW網(wǎng)絡是由礦機搭建而成，其成本和挖礦周期代表了礦工更長久的參與。因此很多區(qū)塊鏈項目選擇將礦機參與組成的共識層作為layer1，這是對PoW共識的信仰和對礦機挖礦經(jīng)濟模型的信任。

Starcoin即是如此，其通過礦機來搭建一個以共享經(jīng)濟為保護的layer1網(wǎng)絡。堅持PoW的公平性，也用來防止行業(yè)極端變化下的不穩(wěn)定性沖擊。

那Starcoin又如何避免PoW網(wǎng)絡帶來的既有問題呢？

Starcoin進行了重要創(chuàng)新。以以太坊的設計對比來看，Starcoin的重要創(chuàng)新是在沒有改變PoW共識出塊和廣播流程上，讓出塊變得動態(tài)可控。

首先我們需要了解比特幣、以太坊的出塊和交易打包方式。

當節(jié)點開始確認出塊，開始廣播后，一段時間內(nèi)，只有納入最長鏈的區(qū)塊才是被認可的塊，最長鏈的競爭過程會讓網(wǎng)絡持續(xù)分叉，出現(xiàn)孤塊、叔塊。其原因在于礦工在打包交易前，很可能需要同步新的交易。

NC中本聰共識中的塊傳播方式

例如，當節(jié)點 A 向節(jié)點 B 傳播一個塊并且其中沒有新的交易時，節(jié)點 B 可以立即將這些緊湊塊傳輸給它的所有相鄰節(jié)點。但是，如果區(qū)塊中有新交易，節(jié)點 B 必須首先從節(jié)點 A 同步這些交易，然后驗證這些交易的簽名，這個過程需要時間。最終只有當整個區(qū)塊的有效性得到驗證時，節(jié)點 B 才能繼續(xù)傳播這個區(qū)塊。

此時，如果不進行新交易打包，出塊時間較短，但如果等待打包新交易，就需要更長的出塊時間。

因此，如何確定一個有效的同步時間，并保證新交易不是無序的一直延續(xù)的在同步，是極為重要的。

與之相關的，如果孤塊增加，也會而影響網(wǎng)絡資源使用率和安全性。

Starcoin在這個部分的設計，是令人驚訝的，其操作很簡單，像以太坊一樣引入了叔塊概念，并且對叔塊進行統(tǒng)計。

Starcoin中的叔塊打包監(jiān)測

叔塊是指孤塊中被編入最長鏈的塊，其可以代表網(wǎng)絡狀態(tài)分叉較多，孤塊會增加，在網(wǎng)絡延遲并且網(wǎng)絡擁堵時，叔塊也會隨之增加，因此，最終叔塊的數(shù)據(jù)可以用來輔助調(diào)整出塊時間和難度。

Starcoin網(wǎng)絡運行時，為了將叔塊維持在一個合適的閾值內(nèi)，在每個小周期（時隙Epoch）末，都會重新調(diào)整下一個周期的出塊時間，同時調(diào)整的還有挖礦難度。

其邏輯在于，如果叔塊率較高，表示當前的出塊時間間隔下，網(wǎng)絡中存在較多的分叉和孤塊，需要調(diào)大出塊的時間，緩解此問題。反之，則說明全網(wǎng)出塊情況良好，還可能進一步縮短出塊時間，提高全網(wǎng)吞吐。

Starcoin引入叔塊的方式對于網(wǎng)絡本書來說，是自然的。不過還有一些公鏈可能會選擇設計特殊的切入點。

例如當打包前出現(xiàn)新交易時，可以將區(qū)塊空間中引入一個“叔塊頭”概念，其不占據(jù)交易驗證的體積。但可以把新交易引入叔塊頭，然后重新設計一個提交區(qū)用來驗證交易。

這是一種把影響區(qū)塊打包速度的“新交易”剝離正常區(qū)塊驗證步驟，轉(zhuǎn)換成其他方式驗證提交的方法。與Starcoin的方式不同，它改變了驗證方式。

因此，綜合來看，在layer1網(wǎng)絡（即比特幣PoW網(wǎng)絡）上做改進，首先是先增加小周期（時隙Epoch）用來快速調(diào)整出塊難度。

其次就是解決區(qū)塊打包等待新交易的問題，Starcoin的設計和選擇是明確的，在不用重新把新交易單獨處理的情況下，只通過叔塊監(jiān)測數(shù)據(jù)而調(diào)整出塊時間和挖礦難度，這樣是將PoW網(wǎng)絡演變成了一個動態(tài)吞吐網(wǎng)絡，其規(guī)則像是在高速公路中添加了指揮員，隨時指揮車輛的速度，這樣的改變雖小，卻可以改善PoW鏈在擁堵時的表現(xiàn)。并且，筆者認為，出塊時間隨網(wǎng)絡狀態(tài)可調(diào)整已經(jīng)成為新公鏈系統(tǒng)的重要特性之一。

在Layer2大展拳腳

Starcoin已經(jīng)改進了比特幣、以太坊的PoW模型。而在layer2上，Starcoin設計為專注于解決資產(chǎn)轉(zhuǎn)移交換等過程中的擴展性和性能問題。只是目前，layer2解決方案正處于“百花齊放，暫時無王”的階段，同時面對多個的layer2的解決方案，需要Starcoin設計團隊明確需求后做出選擇。

目前，在Starcoin白皮書中并未展示其部分，其官方表示會在白皮書2.0版本中公布layer2方案。我們可以通過Starcoin對分層網(wǎng)絡功能的定義去推測其layer2的設計。

layer2和layer1的普通狀態(tài)關系

從邏輯上看，layer2是layer1狀態(tài)的遷移交互，因此首先來看Starcoin Layer1職能，詳情如下：

1. 通過增強的中本聰共識機制來盡可能的在保證安全的基礎上在Layer1擴容，最大化Layer1網(wǎng)絡的利用率。

2. 提供資產(chǎn)的定義，發(fā)行，以及流轉(zhuǎn)，以及l(fā)ayer1、layer2之間的流轉(zhuǎn)能力。

3. 給layer2提供仲裁能力，layer2可以利用Layer1的安全機制來保證自己的安全。

而這時layer2職能是：

1. 將Layer1的交易分流到layer2，Layer1不再關心layer2交易的細節(jié)以狀態(tài)的變更。

2. 提供監(jiān)督機制，layer2的不同角色之間可以互相監(jiān)督。

3. 提供證據(jù)保全能力，用戶如果對layer2的交易有爭議，可以到Layer1仲裁。

由此來看，首先Layer1、layer2間的互相交互必須保證實現(xiàn)，因為這相關于Layer1、layer2資產(chǎn)流轉(zhuǎn)的需求以及有相互證明狀態(tài)有效的方式。其次，Starcoin還強調(diào)了layer2不同角色可以互相監(jiān)督。

Layer1、layer2間的狀態(tài)鎖定和證明間的交互

這樣的需求使用單個layer2技術是無法實現(xiàn)的。例如以太坊上的rollup，其兩層鏈間的雙向交互并不完善。例如零知識證明，雖可以保證兩層鏈間交互數(shù)據(jù)的安全性，卻無法在layer2的角色設計和數(shù)據(jù)可用性上發(fā)力。

所以可以推測的是，未來Starcoin一定會在layer2使用多技術組合方案，這在其公示出的layer2思路上得到一些證實，其抽象出一種通用的layer2方案模型如下：

1. 應用的狀態(tài)（包括資產(chǎn)）在Layer1和layer2之間安全的轉(zhuǎn)移。

2. 保證layer2的數(shù)據(jù)可用性。

3. 提供證明和提供仲裁機制。

上文說到，從邏輯上看，任何layer2方案都是Layer1的狀態(tài)遷移，詳細過程可能包含將狀態(tài)鎖定并在layer2重建等。因此，我們來看公示的模型，如果layer1和layer2都有統(tǒng)一的資源模型，那狀態(tài)遷移就不是難事，如果兩層鏈都用統(tǒng)一的框架搭建，數(shù)據(jù)可用性也不是問題，可能唯一遇到的問題會是合約遷移。而Starcoin很亮眼的是，其合約也是無狀態(tài)設計，因為合約并入了賬戶模型里，狀態(tài)已經(jīng)被確定了所有權(quán)。交互中直接訪問狀態(tài)即可執(zhí)行。

綜上，我們可以對Starcoin抱有足夠的期待，筆者認為在layer2技術上，Starcoin的重點并不在改良技術，而是對行業(yè)內(nèi)多類技術的組合與實現(xiàn)，在Starcoin的基礎優(yōu)勢（例如賬戶、存儲模型、編程語言）上占據(jù)優(yōu)勢即可。

巧妙設計以為長遠規(guī)劃

分層結(jié)構(gòu)以及對layer1、layer2的單獨設計，塑造了Starcoin的基本能力，而千變?nèi)f化的業(yè)務需要要求在一些標準化的設計上仍要具備優(yōu)勢。

這就要提及Starcoin一些有利于長遠發(fā)展的巧妙設計。這些設計雖然討論不多，但卻是公鏈系統(tǒng)不可或缺的特性。

足以稱之為巧妙設計的，有3點，分別是更改賬戶模型和狀態(tài)存儲，支持多種驗證合法性的方式、雙累加模型，以及基于Move開發(fā)語言的適配。

1）更改賬戶模型和相應的狀態(tài)存儲之后，Starcoin得以實現(xiàn)以太坊無法順利進行的狀態(tài)計費計算。

對比以太坊來看，以太坊將賬號分為合約賬號和用戶賬號。合約賬號用于部署合約的代碼以及存儲合約的狀態(tài)，用戶在某個合約中的狀態(tài)都保存到該合約賬號下，讀寫權(quán)限也由合約自己控制。這樣的設計自由度很高，但導致合約狀態(tài)的所有權(quán)不明確，從而容易帶來安全上的問題以及很難解決”狀態(tài)爆炸”問題。

Starcoin更改后的賬戶模型

這樣的設計帶來了以太坊擁堵情況下，Gas費的暴增以及復雜合約調(diào)用成本的居高不下。

因此，Starcoin 以太坊賬戶模型基礎上做了以下改進：

1. 廢棄了合約賬號，任意賬號都可以部署智能合約，部署的智能合約在當前賬號下。

2. 通過對合約編程語言中狀態(tài)存儲機制的改變，讓智能合約的開發(fā)者很容易的把合約的狀態(tài)分散保存到該狀態(tài)所屬的用戶地址下，從而明確狀態(tài)的所有權(quán)。

通過這樣的改造，一方面增強了鏈對用戶狀態(tài)的安全保護能力，另外一方面也為狀態(tài)計費提供了可能。未來Starcoin會支持token支付gas，便于用戶和開發(fā)者使用。

2）從上文的討論中，我們還能看到多次提到區(qū)塊鏈驗證，足以證明驗證數(shù)據(jù)是區(qū)塊鏈運行剛需，在 Starcoin 的整體設計中，還提供了四個層面的數(shù)據(jù)校驗機制，這些機制，可以提供全場景下的數(shù)據(jù)驗證邏輯。

1. 交易可校驗：BlockHeader 包含一個全局交易累加器的根哈希，任何上鏈的交易都有對應的全局證明。

2. 狀態(tài)可校驗：BlockHeader 包含一個全局狀態(tài)狀態(tài)樹的根哈希，保障了狀態(tài)可驗證。

3. 區(qū)塊可校驗：BlockHeader 包含一個 BlockBody 的哈希，用于校驗 BlockBody 中的數(shù)據(jù)。

4. 鏈可校驗：BlockHeader 包含一個全局區(qū)塊累加器的根哈希。任何一個區(qū)塊可以提供一個和當前區(qū)塊的關系證明，不需要遍歷區(qū)塊即可驗證某個區(qū)塊是否是當前區(qū)塊的祖先區(qū)塊。

Starcoin區(qū)塊頭中的的全局區(qū)塊累加和根哈希示意

在四個維度的數(shù)據(jù)校驗的基礎上，再配合Starcoin的合約和賬戶模型，「交易累加器」和「區(qū)塊累積器」組成了Starcoin獨特的「雙累加器」模型，這將成為Starcoin系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的基礎。也可以通過數(shù)據(jù)合法性的優(yōu)勢為很多業(yè)務服務，例如跨鏈數(shù)據(jù)交互驗證。

3）為了更好地擴展區(qū)塊鏈的能力，Starcoin 還將 Move 語言作為智能合約，以保證針對數(shù)字資產(chǎn)的編程更加安全、簡單。

Move 語言是Facebook穩(wěn)定幣項目Libra（已更名為Diem）的開發(fā)語言，該語言尤其重視安全性，主要由以下幾個方面保證：

1. 自底向上的靜態(tài)類型系統(tǒng)；

2. 資源不可復制或者隱式丟棄；

3. 資源按用戶存儲，重新定義鏈，合約，用戶三方的數(shù)據(jù)操作權(quán)限；

4. 引入形式化驗證技術，通過數(shù)學原理來證明合約的安全性；

更重要的是，Starcoin團隊已經(jīng)通過 Move 語言建立了Move開發(fā)社區(qū)，通過開源社區(qū)，可以獲得開發(fā)技術、開發(fā)資源以及人才儲備和未來的生態(tài)項目孵化能力。

寫在最后

從Starcoin白皮書中詳實的設計，再到Starcoin已經(jīng)完成的技術進展，綜合來看。 Starcoin除了未確認的layer2外，其網(wǎng)絡從0到1的過程已經(jīng)完成了80%，其中最關鍵的要數(shù)layer1中對PoW共識的改進。小小的改進，讓Starcoin可以堅持使用PoW，可以建立一個挖礦生態(tài)。

如果說挖礦生態(tài)是建立layer1的支柱，當layer1和layer2組合使用后， Starcoin也會因layer2層對應用的擴展為DeFi、NFT的應用土壤。

其原因有四：

其一，Starcoin有穩(wěn)固的礦工經(jīng)濟做支撐，網(wǎng)絡生命力遠勝其他PoS網(wǎng)絡。

其二，layer1層的賬戶模型和存儲的設計讓 Starcoin Gas費更低。

其三，使用Move語言與PoW配合，足夠安全，又具備比特幣金融系統(tǒng)的基因。

其四，layer2的執(zhí)行讓Starcoin雖使用PoW但性能完全可以承載DeFi等應用。

為了讓以太坊的性能達標，以太坊團隊用了7年時間，才做好了PoW向PoS轉(zhuǎn)換的準備，但切換共識還沒有真正進行，信標鏈的穩(wěn)定性還沒有經(jīng)歷合并后的考驗。如今，我們信任以太坊的DeFi、NFT，是運行在PoW鏈上的，用戶對PoW信任一定高于還未得到全面證實的PoS。

如此來看，筆者認為，Starcoin將成為一個保持比特幣金融系統(tǒng)基因，又具備圖靈完備能力的安全智能合約運行平臺。這是一個可以承擔以太坊DeFi需求的平臺，也是比特幣信仰者曾經(jīng)暢想也可以在未來使用的平臺。